劉 曄，鐔雄師，陳 然，錢夢(mèng)驕，劉亞光

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引 言

隨著裝甲車輛車載電氣設(shè)備的數(shù)量和復(fù)雜性不斷增加，準(zhǔn)確、可靠、快速地判斷車載電器設(shè)備的絕緣狀況和開關(guān)導(dǎo)通、虛接狀態(tài)成為裝甲車生產(chǎn)和使用維護(hù)中的重要基礎(chǔ)項(xiàng)目[1-2]。傳統(tǒng)方法借助于搖表（或稱兆歐表）來測(cè)量設(shè)備的絕緣電阻，兆歐表使用相對(duì)簡單，但在實(shí)際測(cè)量中存在著精度低、量程范圍小、體積較大、隨著人工操作復(fù)雜等缺點(diǎn)[3-5]。對(duì)于測(cè)量復(fù)雜設(shè)備的多路絕緣電阻時(shí)，使用兆歐表工作量太大，耗時(shí)長且效率極低[6-7]。

裝甲車車載設(shè)備絕緣電阻與開關(guān)導(dǎo)通測(cè)試儀是專門為軍工行業(yè)研制的、能夠滿足多種車載電器設(shè)備功能測(cè)試的系統(tǒng)。測(cè)試儀系統(tǒng)采用了“單片機(jī)+CLPD”的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)車載電器設(shè)備的80路絕緣電阻實(shí)時(shí)、快速地巡回檢測(cè)，根據(jù)絕緣阻值給出報(bào)警信號(hào)。同時(shí)系統(tǒng)能夠快速判斷80路電氣設(shè)備的開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷情況，并判斷每路開關(guān)是否虛接、虛焊，給出相應(yīng)的提示。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，CPLD為邏輯執(zhí)行單元，由單片機(jī)、CPLD譯碼電路、觸摸屏系統(tǒng)、絕緣電阻測(cè)試直流電源、繼電器開關(guān)矩陣電路和AD采樣濾波及信號(hào)處理電路等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

觸摸屏系統(tǒng)作為人機(jī)交互界面，通過RS-232串口與Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信。觸摸屏將測(cè)試指令傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)相應(yīng)的測(cè)試功能控制CPLD進(jìn)行譯碼，CPLD譯碼電路控制繼電器矩陣接通相應(yīng)的兩路外部的測(cè)量通道，接入絕緣測(cè)試電壓。單片機(jī)根據(jù)不同的測(cè)試類型，選擇合適的測(cè)量量程，將采樣得到的信號(hào)進(jìn)行隔離和濾波，之后傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)采樣的絕緣電阻值判斷被測(cè)通路是否絕緣良好而給出相應(yīng)的報(bào)警提示。絕緣電阻測(cè)試直流電源輸入為工頻220V交流電源，通過反激電路后輸出200V和50V的兩路電壓供給絕緣電阻測(cè)試。單片機(jī)選用STC的12C5A60S2，內(nèi)部集成有8路10位的AD轉(zhuǎn)換模塊。觸摸屏采用MCGSTpC一體化觸摸屏TPC1062KS，它是一套以嵌入式低功耗CPU為核心的一體化觸摸屏，產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用了10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏，分辨率為800×480。

80路的絕緣電阻測(cè)試采用循環(huán)掃描的方式，掃描每一路與其余79路的絕緣狀況是否良好。80路的開關(guān)檢測(cè)，基本原理與絕緣電阻測(cè)試相同，不同點(diǎn)使用的檢測(cè)電源電壓為24V，開關(guān)檢測(cè)可以在線實(shí)時(shí)檢測(cè)電氣設(shè)備的開關(guān)通斷情況，并能夠根據(jù)開關(guān)的導(dǎo)通電阻判斷開關(guān)是否虛接虛焊。絕緣測(cè)試和開關(guān)測(cè)試的結(jié)果通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示，并能夠給出相應(yīng)的報(bào)警提示。

繼電器開關(guān)矩陣由160個(gè)繼電器構(gòu)成，繼電器矩陣由兩片CPLD控制，分別作為行譯碼單元和列譯碼單元。80路測(cè)試點(diǎn)中每一路都分配有兩個(gè)繼電器控制該路接測(cè)試電源的正極或者負(fù)極，每一路通過導(dǎo)線連接到儀器后面板的航空插頭，被測(cè)設(shè)備通過航空插頭與測(cè)試儀連接，繼電器開關(guān)矩陣如圖2所示。

圖2 繼電器開關(guān)矩陣

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 絕緣電阻測(cè)試用直流電源

絕緣電阻測(cè)試用電源的特點(diǎn)是電壓精度高、負(fù)載電流小，故采用TOP242開關(guān)電源芯片構(gòu)成反激式電路，產(chǎn)生200 V和50 V的穩(wěn)定直流電壓用于絕緣電阻的測(cè)試[8-9]。電路使用PI Expert Suite 8.5軟件設(shè)計(jì)，原理如圖3所示。

圖3 絕緣電阻測(cè)試用電源

輸入220V交流電壓經(jīng)過EMI濾波后，通過二極管橋式整流濾波為直流電壓，直流電壓經(jīng)過高頻變壓器的初級(jí)繞組和TOP242芯片后，被芯片內(nèi)部的MOSFET開關(guān)器件斬波為高頻的脈沖電壓，次級(jí)繞組感應(yīng)出高頻脈沖電壓，通過二極管和電容整流濾波后輸出相應(yīng)的電壓。變壓器反饋繞組為TOP242提供控制端電流，根據(jù)控制電流的變化調(diào)整PWM斬波的占空比，以此改變輸出電壓的幅值?？刂贫穗娏鞔笮∮煞答侂娐窙Q定，因此反饋回路的精度決定了輸出電壓的精度，此處使用可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431和線性光耦PC817C構(gòu)成反饋回路，用電阻R6和R7對(duì)輸出電壓分壓后，輸入到TL431的參考端，將輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為TL431的電流信號(hào)，再通過線性光耦隔離后改變TOP242的控制端電流。高頻變壓器使用EI22鐵心，開氣隙，電感量、繞組圈數(shù)和線徑等參數(shù)均由PI Expert軟件給出。

2.2 絕緣電阻測(cè)試電路

被測(cè)試的車載電器設(shè)備通過航空插頭與測(cè)試儀相連接，測(cè)試開始時(shí)繼電器開關(guān)矩陣切換不同的被測(cè)通路，并加入測(cè)試電壓，同時(shí)采集限流電阻兩端的壓差，經(jīng)過濾波放大后送給單片機(jī)的AD模塊，單片機(jī)判定絕緣狀況并將信息通過觸摸屏顯示，其測(cè)試的原理如圖4所示。通過觸摸屏選擇合適的測(cè)試電壓，例如50V，單片機(jī)控制繼電器K1閉合，50V測(cè)試電壓加在測(cè)試總線上，首先掃描1#端口和2#端口間的絕緣電阻，繼電器開關(guān)矩陣控制Ka1和Kb2閉合，電流流過夾在1#和2#端口間的外部電阻Rx后回到電源負(fù)極，R1、R2為限流電阻，通過采集限流電阻兩端的電壓差，即可知道泄漏電流的大小，從而得到Rx的值。其余通道的掃描原理類似，同一時(shí)刻必有一個(gè)測(cè)試點(diǎn)接電源正極，必有另一個(gè)測(cè)試點(diǎn)接電源的負(fù)極。80路的絕緣電阻測(cè)試完全掃描一遍共需檢測(cè)C280=3 160個(gè)通路，單個(gè)通路檢測(cè)時(shí)間小于1 s。

圖4 絕緣電阻測(cè)試原理

AD采樣信號(hào)是從限流電阻R1和R2上得到的，絕緣電阻值一般大于20 MΩ，通過采樣電阻的電流很微弱，而且容易受到外界的干擾，所以將采樣信號(hào)進(jìn)行放大和低通濾波后送給單片機(jī)。INA117P為Burr-Brown公司的高共模電壓差動(dòng)放大器，共模電壓范圍可達(dá)±200V，最高可承受±500V的電壓而不損壞放大器。當(dāng)從限流電阻R2兩端獲得采樣信號(hào)時(shí)，若被測(cè)對(duì)象絕緣狀況不良，則共模電壓最大會(huì)達(dá)到200V，選用INA117P差動(dòng)放大器可以有效放大信號(hào)，同時(shí)保護(hù)后續(xù)電路。用OP07CP運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)增益可調(diào)反相放大器。UAF42是Burr-Brown公司的集成模擬濾波器，UAF42只需2～3個(gè)外接元件即可構(gòu)成典型結(jié)構(gòu)（如巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾等）的濾波器。此處用UAF42構(gòu)成巴特沃斯低通濾波器，抑制高頻噪音?？紤]到測(cè)試儀在絕緣電阻測(cè)試時(shí)巡回檢測(cè)的掃描頻率，將濾波器的截止頻率設(shè)定在10kHz，確保正常信號(hào)不會(huì)衰減。

2.3 開關(guān)導(dǎo)通測(cè)試電路

80路開關(guān)導(dǎo)通測(cè)試電路的原理與絕緣電阻測(cè)試相同，通過繼電器開關(guān)網(wǎng)絡(luò)切換不同的通路，同時(shí)測(cè)量該通路的導(dǎo)通電阻，即能判斷開關(guān)是否導(dǎo)通或者虛接。被測(cè)的車載電器設(shè)備工作電壓為24V，開關(guān)測(cè)試時(shí)測(cè)試儀的測(cè)試電壓也為24V，并且與被測(cè)車載電器設(shè)備共用一個(gè)電源，即可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量開關(guān)的導(dǎo)通情況。80路的開關(guān)導(dǎo)通測(cè)試總耗時(shí)不到1s，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、快速檢測(cè)。

被測(cè)對(duì)象的開關(guān)導(dǎo)通電阻很小，一般在歐姆級(jí)別，易受外界影響，選用較小的限流電阻以增大測(cè)試電流，增強(qiáng)抗干擾性能，開關(guān)導(dǎo)通情況下最大測(cè)試電流在100mA左右。采集限流電阻兩端的電壓，放大并濾波后輸入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，此過程和絕緣電阻測(cè)試相同。開關(guān)是否虛接的判斷標(biāo)準(zhǔn)可通過觸摸屏設(shè)定，默認(rèn)為5Ω，即回路導(dǎo)通電阻大于5Ω時(shí)判定為虛接。

2.4 譯碼電路

在單片機(jī)的控制下，譯碼電路控制80路測(cè)試點(diǎn)中的某兩路接入到測(cè)試總線上。單片機(jī)通過P0和P2發(fā)送譯碼信號(hào)，P0端口負(fù)責(zé)行譯碼，對(duì)應(yīng)CPLD1，控制80個(gè)Ka繼電器中的某一個(gè)吸合，P2端口負(fù)責(zé)列譯碼，對(duì)應(yīng)CPLD2，控制80個(gè)Kb繼電器中的某一個(gè)吸合，譯碼電路原理如圖5所示。繼電器選用松下公司PhotoMOS AQW214，它屬于MOSFET輸出的光電耦合器，負(fù)載電壓可達(dá)400V，連續(xù)負(fù)載電流100mA，峰值電流可達(dá)300mA。每一片AQW214內(nèi)部集成了兩個(gè)繼電器，對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的接電源開關(guān)Ka和接地開關(guān)Kb。AQW214的控制端分別與對(duì)應(yīng)的CPLD相連，控制端動(dòng)作電流為5mA。CPLD選用Altera的EPM570T144，該芯片屬于Altera的MAXRII系列，是低功耗、低成本的CPLD，擁有570個(gè)邏輯單元（LE），最大用戶 I/O 引腳為116個(gè)。

圖5 CPLD譯碼電路原理

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序使用C語言在Keil uVision2環(huán)境下編譯調(diào)試。CPLD代碼在QuartusⅡ環(huán)境下使用邏輯原理圖完成。觸摸屏界面在MCGS組態(tài)軟件環(huán)境下編譯完成。

單片機(jī)軟件系統(tǒng)的主要功能包括：接收觸摸屏測(cè)試指令、向CPLD發(fā)送譯碼信號(hào)、數(shù)據(jù)的采集和處理、測(cè)量結(jié)果的下傳及觸摸屏顯示。單片機(jī)在完成了上電復(fù)位和初始化以后，通過與觸摸屏通信后獲得程序進(jìn)一步執(zhí)行的指令，然后進(jìn)入相應(yīng)的子程序。單片機(jī)軟件流程如圖6所示。CPLD代碼的編寫使用原理圖描述電路結(jié)構(gòu)的方法，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為1片3~8線譯碼器74HC138片選5片4~16譯碼器74HC154產(chǎn)生80路的譯碼信號(hào)，使用原理圖描述電路的方法可以很容易的產(chǎn)生CPLD代碼。觸摸屏界面在MCGS嵌入版環(huán)境下制作，加入了測(cè)試歷史記錄和報(bào)警記錄等功能。

圖6 系統(tǒng)主程序

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431和線性光耦提高了絕緣電阻測(cè)試用直流電源的精度，減小了紋波電壓。使用示波器測(cè)量輸出開路時(shí)的電壓波形，200 V輸出端的紋波電壓的峰峰值為410 mV，小于1%。絕緣電阻測(cè)試過程中用示波器測(cè)量200V輸出端的電壓波動(dòng)小于2V，負(fù)載調(diào)整率小于1%，電源精度高，穩(wěn)定性佳。

使用該測(cè)試儀實(shí)際測(cè)試某型號(hào)的裝甲車車載控制柜，測(cè)試儀在保證測(cè)量準(zhǔn)確性、防止誤報(bào)警的前提下，實(shí)現(xiàn)了80路電器設(shè)備的絕緣狀況和開關(guān)導(dǎo)通情況的快速測(cè)量和判斷，絕緣電阻全部檢測(cè)完成用時(shí)不足30min，80路開關(guān)導(dǎo)通測(cè)試的時(shí)間不足1s。實(shí)際運(yùn)行測(cè)試儀，設(shè)定絕緣狀況判斷標(biāo)準(zhǔn)為20MΩ，在80路中任選兩路接入19MΩ的電阻，測(cè)試儀可以準(zhǔn)確報(bào)警，提示該兩路絕緣不良。在開關(guān)導(dǎo)通測(cè)試中，任意回路中串聯(lián)阻值為6.8Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻，測(cè)試儀能實(shí)時(shí)顯示出該路的虛接，當(dāng)不接入該標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí)測(cè)試儀能準(zhǔn)確顯示該路導(dǎo)通。

5 結(jié)束語

該裝甲車車載設(shè)備絕緣電阻與開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)了80路的絕緣電阻測(cè)試和開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)測(cè)試，通過觸摸屏可直觀地觀察到絕緣電阻報(bào)警信息和開關(guān)導(dǎo)通的實(shí)時(shí)情況。測(cè)試儀體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶，測(cè)試精度符合設(shè)計(jì)要求，滿足裝甲車車載電器設(shè)備的生產(chǎn)檢測(cè)和使用維護(hù)需求。系統(tǒng)已經(jīng)投入工程實(shí)用，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求，表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和有效性。

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